超高性能混凝土柱的抗爆性能研究

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发布时间：2021-09-07

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超高性能混凝土柱的抗爆性能研究
田慧，张海，徐慎春，郭翰林
(1．天津城市建设管理职业技术学院建筑工程系，天津300134； 2．天津城建大学土木工程学院．天津300384)
【摘要】以超高性能混凝土柱为研究对象，利用非线性有限元显式动力分析软件Ls—DYNA，建立精细数
值分析模型，研究爆炸荷载作用下UHPC柱的动力响应。研究结果表明：爆炸过程中，柱端与柱中首先出现损伤，
且柱中弯矩产生时间滞后于柱端剪力产生时间，因此提高柱中抗弯能力和柱端抗剪能力是提高其抗爆能力的重
要手段。
【关键词】爆炸荷载；UHPC；动力响应；损伤破坏；数值模拟
【中图分类号】TU375．3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2014)07—0051—03
近些年来强烈地震、海啸和恐怖袭击以及日常生
产生活中的意外爆炸事故引起了人们的关注，严重威
胁人们的生命财产安全。由于爆炸荷载的传播速度
极快、冲量大同时加上混凝土材料性质复杂，从而使
得钢筋混凝土结构或构件爆炸动力性能比一般动力
性能复杂得多。国内外对爆炸荷载作用下的钢筋混
凝土爆炸性能的研究较多，如Sun【l 等研究了钢骨混
凝土柱的爆炸动力特性，得出三种破坏模式。魏雪
英研究了爆炸荷载作用下混凝土和砖砌体材料及
其结构的动力响应。纵观国内外研究现状，学者多着
眼于普通钢筋混凝土构件而对超高性能混凝土的抗
暴性能研究甚少。
文中以超高性能混凝土柱为研究对象，采用大型
通用有限元软件I_S—DYNA分析其在爆炸荷载作用
下的非线性动力特性。研究得出超高性能混凝土柱
在爆炸荷载作用的典型动力性能和破坏模式。
1 模型建立
1．1 有限元模型
选取典型超高性能钢筋混凝土柱，柱宽b=
200 mm，柱深h=200 mill，柱高H =2500 mill，超高性
能混凝土轴心抗压强度标准值 =160 MPa，纵筋配
筋率P=0．005，箍筋配箍率P =0．005。根据上述指
标，抽象出超高性能混凝土柱，利用大型通用软件LS
— DYNA，建立分离式有限元模型，如图1所示。图
中，b为柱迎爆面宽度即柱宽；h为柱截面高度即柱
深；a为混凝土保护层厚度；为柱净高；s。、s 为箍
筋间距。
网格划分对有限元分析有着显著的影响，通过不
断尝试划分网格验证计算的敛散性，最终确定采用
10ram的单积分点正六面体单元对模型进行划分网
格。其中纵向钢筋及箍筋均采用10ram梁单元进行模
拟。在有限元模型中建立了柱头和柱脚，如图1所示，
柱头和柱脚四周水平方向的位移被约束，柱脚底面竖
直方向的位移被约束。此外，为了更加真实的模拟实
际建筑中柱结构在受到意外爆炸荷载作之前的受力
状态，采用LS—DYNA中的动力释放算法来对柱进行
应力初始化，然后再通过施加爆炸荷载来分析柱在受
到爆炸荷载作用下的动力响应。
爆炸波方向
(a)UHPC (b)uHPC钢筋柱 (c)柱截面尺寸
柱外形分离式模型
图1 钢筋混凝土柱的有限元模型
1．2 材料本构关系选择
有限元模型中钢筋采用双线性弹塑性模型，均采
用低合金超高强度钢，纵筋材料模型参数为：密度为
7830kg／m ，弹性模量为20GPa，屈服强度为1080MPa
泊松比为0．28；箍筋材料模型参数：密度为7830
kg／m ，弹性模量为20GPa，屈服强度为500MPa，泊松
比为0．28。
混凝土在爆炸荷载作用下会经受大应变率作用，
应变率高达10～s～～lO00s～。其中应变率即材料变